（控制理论与控制工程专业论文）薄带连铸熔池钢水液位检测与控制系统的研究.pdf

l 。 ， 一 知 i 摘要 薄带连铸熔池钢水液位检测与控制系统的研究 摘要 薄带连铸技术是冶金领域的一项前沿性技术，目前己成为钢铁行业研究和发展的热门。 该项技术不仅可以取消热轧生产过程而大幅降低生产成本，还可以利用快速凝固效应生产出 难以轧制的以及具有特殊性能的新材料。这项技术系统结构复杂，对控制系统要求精度高、 速度快，目前，工艺还不成熟，对控制系统的设计也没有一套完整的理论，都还处于探索之 中。况且，国际上屈指可数拥有该新技术的企业间的技术保密和竞争十分剧烈，开展具有自 主产权的薄带连铸技术7 究和应用迫在眉睫。 本，c 以宝钢薄带连铸技术产业化研究项目为背景，主要围绕薄带连铸技术中影响铸带质 量的一个重要因素髂池钢水液位的检测与控制技术的研究展开。结合对实验和现场实际 的分析，设计了一个可在工业现场下应用的熔池钢水液位传感器以及相应的图像识别和处理 方案。考虑到液位系统的非线性、时变等因素，采用自适应模糊控制作为熔池钢水液位系统 控制策略，并对直接和间接模糊自适应控制算法进行研究，提出了加速白适应模糊控制器， 为实现对实际熔池液位系统精确、快速的有效控制打下基础。本论文的主要贡献是： 1 设计了可应用于薄带连铸机熔池钢水液位检测的c c d 传感器。 薄带连铸熔池钢水液位的检测环境具有高温、高亮、强干扰，因此选用c c d 液位传感 器进行检测。目前c c d 在这一领域的具体应用技术上无可借鉴，所以我们针对某一薄带连 一巩设计了c c d 液位传感器的硬件结构及软件流程。考虑到此传感器是应用在工业场所， 需严格保证其可靠性，因此设计了双侧c c d 法以识别出真实的钢水与结晶辊边缘，从而实 现对熔池钢水液位高度的检测。 2 针对薄带连铸熔池钢水液位系统的特性，在确保闭环系统全局稳定性的条件下，设 计了间接型和直接型加速自适应模糊控制器。 薄带连铸熔池钢水液位系统是非线性，时变，并且存在不可测参数的系统，因此很难建 立精确的数学模型。针对这类非线性系统，在已知不同类型模糊规则的条件下，分别提出了 间接型和直接型加速自适应模糊控制器，并通过l y a p u n o v 定理证明了在放宽稳定性条件的 前提下仍可保证系统全局稳定。 3 证明了针对薄带连铸熔池钢水液位这类非线性系统设计的间接型和直接型加速自适 量t h 应模糊控制器可以使系统误差收敛到平衡点附近的一个小邻域内。 系统稳态误差是评价系统性能的重要指标之一，本文以l y a p u n o v 函数为基础，证明间 接和直接型加速自适应模糊控制可以使系统误差收敛到平衡点附近的一个小邻域内，并且与 监督自适应模糊控制器相比，这个邻域更小。通过仿真证明，加速自适应模糊控制器的稳态 误差收敛到一个很小的范围内。 4 推导出了加速控制器的最优形式以保证系统获得最短的调整时间。 系统的调整时间是评价系统动态性能的另一个重要指标。当l y a p u n o v 函数二阶导数为 零时，系统会以最快速度稳定，此时调整时间最短，在此基础上推导出加速控制器的最优形 式。通过仿真证明，系统性能有明显提高。 5 提出了间接型和直接型加速自适应模糊控制器的参数设定方法。 在自适应模糊控制器中自适应律系数一般是根据经验选择，难度较大。本文则采用数学 的方法推导出间接自适应模糊控制器中的两个自适律系数和直接自适应模糊控制器中的一 个白适律系数的取值范围。另外，还从理论上给出进行仿真的步长的选取范围。通过仿真证 明了给定范围的正确性。 关键词：薄带连铸，c c d 液位传感器，液位控制，间接自适应模糊控制，直接自适应 模糊控制，加速控制器 i i - 一 ， j 。， ， a b s t r a c t m e a s ur e m e n ta n dc o n t r o is t r a t e g y f o rm o i t e ns t e e il e v e io fs t r i pc a s t i n g a b s t r a c t s t 邱c a s t i n gi s a i la d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h em e t a u u r g i c a lf i e l d i th a sd r 删ls i g n i f i c a n t i n t e r e s tr e c e n t l yb e c a u s ep r o d u c t i o nc o s t sc a nb eg r e a t l yr e d u c e db yi t se l i m i n a t i n gt h es u b s e q u e n t h o tr 0 u i n gp r o c e s s e s b e s i d e s ，s o m em a t e r i a l sd i m c u l tt ob er o l l e d 柚dn e ws p e c i a lo n e sc a nb e p r o d u c e du s i n gr a p i d s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r i p c a s t i n gp r o c e s s h o w e v e rt h i s t e c h n o l o g yi ss t i ui m m a t u r ea n dt h em e t h o do fc o n t m ld e s i g nf o ras y s t e mo ft h i sl 【i n d i sn o tw e u d e v e l o p e db e c a u s eo fi t sc o m p l i c a c yw i t hr e q u i r e m e n t st oh i g hp r e c i s i o n a n df a s ts p e e d i n a d d i t i o n ，o n l yaf e ws t e e lc o m p a n i e si nt h ew o r l dh a v es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt h i sn e wt e c h n o l o g yt o t h e i rp r o d u c t i o n sa n da r ea l w a y st r ) r i n gt ok e e pt h et e c h n i c a lk n o w - h o ws e c r e tt om e e tk e e n c o m p e t i t i o nb e t w e e nt h e m o u rr e s e a i hi sp r o p o s e da g a i n s tt h eb a c k g r o u n do ft h epr i d j e c to fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o no ft h e s t r i pc a s t i n gt e c h n o l o g yi ns h a n g h a ib a o s t e e lg r o u pc o r p o r a t i o n i nt h i sd i s s e f t a t i o n ，t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t m lf o rm o l t e ns t e e ll e v e li nt h ep o o lo fs t r i pc a s t i n g ，w h i c hi so n eo ft h e m o s ti m p o n a n tf a c t o r se f f e c t i n gq u a l i t yo fc a s t i n gs t r i pa r es t u d i e d t h r o u g ht h o r o u g hs t u d ya n d a n a l y s e st ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dp r a c t i c a lt e s ti nt h ef i e l dan e wm o l t e ns t e e ll e v e ls e n s o r f o ri n d u s t r i a le n v i f o n m e n t ，a n dt h es c h e m ef o ri t sc o 盯e s p o n d i n gi m a g er e c o g n i t i o na n dp r o c e s s i n g a r ed e s i g n e d f u n h e r m o r e ，as t r a t e g yo fa d a p t i v ef u z z yc o n t m l i sa p p l i e dh e r ei nc o n s i d e r a t i o no f s u c hd i f f i c u l tf a c t o r si nt h ep r o c e s so fm o l t e ns t e e lp o o la sn o n l i n e a r i t ya n dt i m ev a r i a n c e ，e t c i n p a n i c u l a r ，a na c c e l e r a t e da d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e dt or e a l i z ei t sf a s ta n da c c u r a t e l e v e lc o n t r o l ，b a s e do nt h es t u d yt ot h ea l g o r i t h m so fi n d i r e c ta n dd i r e c ta d a p t i v ef u z z yc o n t r 0 1 u n d o u b t e d l y ，t h e s ef | u i t so fr e s e a r c hs h o u l db eh e l p f u lg r e a t l yt of u r t h e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，o u rs i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ac c ds e n s o ra p p l i c a b l et ot h em o l t e ns t e e ll e v e lf o rt h es t r i pc a s t i n gi sd e s i g n e d i nt h es t r i pc a s t i n gp r o c e s st h em e a s u r i n ge n v i r o n m e n tc o n d i t i o n so fm o l t e np o o ll e v e la r es o h a r s ha sh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hb r i g h t n e s sa n ds t r o n gd i s t u r b a n c e ，e t c s o ，ao c ds e n s o ri s i i l 量t u s e l e c t e dt od e t e c tt h el e v e l 舡w eh o w ，n oe x p e r i e n c e sa v a i l a b l e 丘o mf o r e i 印c o l i n t r i e sc 孤b e u s e da sr e f 色r e n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h i ss p e c i f i c 丘e l d i t sh a r d w a r es t m c t u r e 柚ds o f h a r e n o ws t n l c t l l r ea r eh e r e i i ld e s i 印e d i no r d e rt og a i na l lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m a g e 姐ds a t i s f yt h e h i g hd e t e c t i l l gs p e e da n d ，t h u s ，g u a r a n t e em e a s u r i n gr e l i a b i l i t y i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，a d o u b l e c c dm e t h o di sd e v i s e df o rr e c o g n i z i n gt l l er e a le d g eb e t w e e ns t e e ll e v e la n dc r y s t a l r o l l e r s a sar e s u l t ，s a t i s f a c t o r ym e a s u r e m e n tf o rm 0 1 t e np o o l l e v e l i so b t a i n e d 2 b o t hi l l d i r e c ta n dd i r e c ta c c e l e r a t e da d a 【p t i v ef u z z ) ，n t r o u e r sa r ep r e s e n t e dt oe n s u r e n e c e s s a r yc o n t r o lc r i t e r i a 柚ds y s t e m s 酉o b a ls t a b i l i t y t h em o l t e ns t e e ll e v e ls y s t e mo fs t r i pc a s t i l l gi san o n l i n e a r ，t i l i l e v a r y i n gs y s t e mw i t hs o m e u n m e a s u f e dp a r a m e t e r s ，s ot h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i sp l a ni sp o o n yu n d e r s t o o d i i l a c c o r d a n c ew i t ht h i sk i n do fn o n l i n e a rs y s t e m ，b o t l ld i r e c ta n di i l d i r e c ta c c e l e r a t e da d a p t i v ef u z z y c o n t r o l l e r sa r ep r e s e n t e du n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tp a t t e m so ff i l z z ym l e ，r e s p e c t i v e l y ，柚d t h eg l o b a ls t a b i l i t yo fo u rd e s i 印e ds y s t e m sh a sb e e np f o v e ds u c c e s s f u u yu s i i l gt h el y a p u n o v t 1 l e o r e mw i t h o u ts u c hs t r o n gs t a b i l i t yc o n d i t i o n s 3 i th a sb e e np r o v e dt h a tt h es y s t e me 玎i mc o n v e 唱e st oas m a l ln e i 曲b o r h o o do fe q u n i b r i u m p o i n tb ya ni n d i f e c to rad i r e c ta c c e l e r a t e da d a p t i v ef i l z z yc o n t r o l l e rd e v e l o p e df o rt h i sp a n i c l i l a r a p p l i c a t i o n t h e s t e a d ys t a t e e o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc r i t e r i af o re v a l u a t i n gs y s t e m s s t e a d y s t a t ep e r f o 珊a n c e 1 ti sp f 0 v e dt h a tt h es y s t e me h o rc o n v e 略e st oas m a l ln e i g h b o r h o o do f e q u i l i b r i u mp o i n tu s i n ga ni n d i r e c to fad i r e c ta c c e l e r a t e da d a p t i v ef u z z yc o n t m l l e r f l l n h e 珊o r e ， t h i sn e i g h b o r h o o di sr a t h e rs m a l l e ri nc o n t r a r yw i t hu s i n gas u p e i s o r ya d a p t i v ef u z z yc o n t r o u e r t i m e 4 2 ho p t i m a la c c e l e r a t e dc o n t r o u e ri sd e r i v e dt og u a r a n t e et h ep r o c e s s ss h o r t e s ts e t t l i n g t h es e t t l i n gt i m ei sa n o t h e ri m p o n a n tc r i t e r i o nt oe v a l u a t es y s t e m sp e 哟珊a n c e a sl o n ga s t h ec o n d i t i o no fz e r os e c o n d o r d e rd e r i v a t i v e o fl y a p u n o vf i l n c t i o ni ss a t i s f i e d ，t h es y s t e m r e s p o n s es p e e di sq u i c k e s ta n dt h e n ，t h ea d j u s t i n gt i m ei ss h o n e s t c o n s e q u e n t l y ，a no p t i m a l a c c e l e r a t e dc o n t r o l l e ri sd e r i v e db a s e do nt h i sc o n d i t i o n s i m u l a t i o nt e s ti n d i c a t e ss y s t e m s p e 舶n n a n c ei sg f e a t l yi m p i d v e d 5 am e t h o do fp a r a m e t e rs e t t i n gf o rb o t hi n d i r e c ta n dd i r e c tc o n t r o l l e r si sp r o p o s e d g e n e r a l l y ，t h ea d a p t i v el a wc o e f f i c i e n t sa r ed e t e r m i n e dw i t he x p e r i e n c et od e s i g ns u c ha i v a b s t m c t c o n t r o u e r 1 l lt h i sp a p e r ，am a t h e m a t i ca p p r o a c hi se m p l o y e dt 0d e t e m i n et h em n g e so fp a r 锄e t e r ， i n d u d i n g 锕oc o e f f i d e n t so ft h ei n d 沁c ta d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e ra n do n eo ft h ed 沁c ta d a p t i v e o n e b e s i d e s ，t h er 卸g eo fs i i l l u l a t i o ns t e p s i z ei sg i v e nb ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t o o k l y w o r d s ：s t r i pc a s t i n gp r o c e s s ，c c dl e v e ls e n s o r ，l e v e lc o n t r o l ，i n d i r e c ta d a p t i v ef u z z yc o n 们l ， d i r e c ta d a p t i v ef h z z yc o n t r o l ，a c c e l e r a t e dc o n t f o u e r v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢鬈韵 日期：己p 。歹年f 月c 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密卣。 ( 请在以匕方框内打“”) 一龆替弼够艚撕签名沩獬 日期：沙呵年f p 月1 日日期：沙舟， 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 薄带连铸简介以及国内外发展现状 薄带连铸技术是冶金领域的一项前沿性技术，属于近终型轧制的一种，图1 1 【l 肛i t e n2 0 0 3 】 给出了目前带钢生产的几种方式以及其中的一些基本数据。众所周知，传统的薄型钢材一般 采用板坯连铸法，在生产中需要经过多道次热轧和反复冷轧等工序，能耗大，工序复杂，生 产周期长，劳动强度大，产品成本高，转产困难。而采用薄带连铸技术，将连续铸造、轧制、 甚至热处理等合为一体，使生产的薄带坯稍经冷轧就一次性形成工业成品，简化了生产工序， 缩短了生产周期，设备投资也相应减少，产品成本显著降低，并且薄带质量不亚于传统工艺。 此外，利用薄带连铸技术的快速凝固效应，还可以生产出难以轧制的材料以及具有特殊性能 的新材料，因此，薄带连铸技术已经成为近年来各国冶金界研究开发的热点( s p i t z e r2 0 0 3 】。 传统连铸连轧 三i 耄薹三二1 _ 譬主，r 莓卧t 。m m _ 垫生垫墅巴l - 生产线长度：5 0 0 8 0 0 m 薄板坯连铸 薄带连铸 1 5 m m 图1 1 带钢轧制技术的发展 f i g 1 1t e c h n o l o 百c a ld e v e l o p m e n ti i lt h ec a s t i i l g 姐dr o l l i i l gs t a g e s 1 1 1 薄带连铸原理 薄带连铸所要实现的目标就是直接用钢水浇成薄带，为此人们设计了众多的工艺方法， 其主要区别在于成型方式上。薄带连铸技术工艺方案因结晶器的不同而分为带式、辊式、辊 带式。双辊铸机依两辊辊径的不同分为同径双辊铸机和异径双辊铸机，两辊的布置方式有水 平式、垂直式和倾斜式3 种，其中研究最多、发展最快的是水平双辊式薄带连铸工艺。 ，警h ， 双辊薄带连铸的基本原理如图1 2 所示，钢水由水口注入两个逆向旋转的水冷辊与两耐 火材料侧封板组成的熔池区，钢液接触水冷套辊，部分经传导传热过程，首先成为半凝固层， 然后在双辊的逆向转动下进入吻合点经过轻微轧制和复杂的热传导过程最终成为薄带 【p h i n i c h l ( a2 0 0 2 ，w 色c h s l e r2 0 0 2 a 】。吻合点的高度与熔池钢水液位高度、水冷辊导热效果和 转速及辊缝大小等参数有关，生产薄带的基本条件是调节上述参数使吻合点处在两辊最近点 上方合适位置。 参 轧机水冷装置飞剪卷曲机 图1 2 双辊薄带连铸生产线简图 f i g 1 2a m p l e t ed i a g r a mo ft h es t r i pc a s t i n gp r o c e s s 1 1 2 国内外薄带连铸技术的发展 1 8 5 7 年，英国人h e n r yb e s s e m e r 提出了从钢水直接铸出钢带的设想，并申请了专利。 图1 3 为h e n r yb e s s e m e r 申请薄带连铸专利的原图。然而，在最初的一百多年里，由于制造 技术和控制技术等相关技术不足，过程控制较为困难，产品质量极差，使得这项技术基本上 处于停滞状态。直到1 9 5 4 年美国的h u n t e r 工程公司制造出第一台双辊连续铸机，并用于铝 合金薄板的商业生产，但在制造钢带方面仍存在同样的问题。进入8 0 年代后，由于能源危 机加剧，加上快速凝固技术的发展。钢带的直接铸造技术引起了国际上的广泛关注和高度重 视，成为各国冶金界竞相研究开发的热点，几乎所有大的钢铁企业和一些知名院校( 如麻省 理工学院、牛津大学等) 都在这方面展开了研究。在不断的科研和生产实践中，我们获知薄 带连铸技术的研究与开发难度非常巨大，这是因为浇注金属凝固快，生产速度快，影响铸造 过程的因素较多，与传统的连铸或连轧有很大的不同，可以借鉴的经验少之又少，因此确保 稳定的生产工艺以及良好的铸带质量仍为十分困难的事情。 2 第一章绪论 图1 3h e n r yb e s s e m e f 申请薄带连铸专利的原图 f i g 1 3h e n r yb e s s e m e r so r i 百n a ld r a 丽n go f 嘶n m l lc a s t i n g 世界上包括美、法、德、日、英、澳大利亚、加拿大、韩国，以及我国等，十几个国家 在内的科技人员都在从事薄带连铸技术的研究，但由于技术、资源以及资金等诸多原因，目 前真正达到能够工业生产的只有很少的几家公司f w b c h s l e r2 0 0 2 b ，b l e j d e2 0 0 0 ，丁培道 2 0 0 4 】，下面作简要的介绍。 由蒂森克虏伯公司、于齐诺尔和奥钢联3 家组成的e u r o s t r i p 公司拥有两台薄带连铸机。 位于德国克雷菲尔德( i ( r e f e l d ) 的铸机是1 9 9 9 年1 2 月建成世界上第一台工业规模的带钢铸 机，铸机年产能力最终达4 0 万吨，产品最大宽度为1 4 3 0 m m ，铸带速度4 0 9 0 i i l m i n ( 最大 铸速1 5 0 m m i n ) ，浇铸3 0 4 不锈钢时铸带厚度为1 8 4 5 m m ，经单机架四辊轧机在线轧制成 1 3 3 5 m m 的薄带。由于快速凝固抑制杂质元素的偏析，大大改善了带钢的防腐性能。与传 统连铸工艺相比，吨钢节能8 5 ，c 0 2 排放量降低8 5 ，n o 。降低9 0 ，s 0 2 降低7 0 。位 于意大利特尔尼的铸带机组生产的产品带宽1 1 3 0 m m ，带厚2 0 4 5 m m ，经四辊轧机3 0 的 变形轧制成1 4 3 5 m m 的薄带，主要生产碳钢，直接在线轧制的带材比铸带轧制分离的带材 延伸率得到极大的改善。 由美国n u c o r 、澳大利亚b h p 和日本l h i 合资组建的c a s t r i p 公司于2 0 0 2 年已建成一条 碳钢薄带连铸生产线。薄带产品宽度为1 3 4 5 m m ，厚度o 7 2 0 m m ，铸带典型速度为 8 蛳i n ( 最大可达1 5 0 i i l m i n ) ，年生产能力5 0 万吨。该铸机的最大特点是铸辊直径仅5 0 0 m m ， 小辊径易于控制铸带坯的板形，同时将使投资和运行成本进一步降低，达到更快、更巧、更 薄、更好，不但提高了生产率，而且快速凝固还带来组织细化、偏析降低、合金固溶度增加 及亚稳相形成等特点和好处。该公司目前已计划建造第二条薄带连铸生产线。根据其公司已 有的统计数据可知，采用薄带连铸技术相对于连铸连轧以及薄板坯连铸生产出的带钢吨钢节 能分别为8 9 和8 1 ，c 0 2 排放量分别减少8 0 和7 1 。 此外，据报导新日铁、三菱重工和韩国p o s c 0 ( 浦项制铁) 共同进行的薄带连铸研究 项目也已经拥有了成熟的工艺和设备。 3 蛰 j ；t h 我国从8 0 年代初开始进行了薄带连铸技术的研究，其中东北大学、上海钢研所、重庆 大学在这方面做了大量的研究。从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年，上海钢铁研究所设计了四套不同规格 的双辊薄带连铸机，分别安装在江苏、浙江、福建和湖南的四个企业。但是由于各种条件限 制，与世界先进水平还有很大的差距 李祖齐2 0 0 1 ，施红家2 0 0 4 】。 薄带连铸是一项有着巨大前景的新技术，拥有这项技术的国家目前较少，主要原因是对 这项技术的工艺、机械以及控制等方面没能完全掌握。目前薄带连铸所遇到的主要技术障碍 是钢水的纯净度不能得到保障；注入钢水时液面控制精度达不到2 锄的要求；结晶辊本 身结构、性能及冷却效果也达不到要求；结晶辊转速、结晶辊铸带厚度控制精度低；产品质 量不稳定等【孙斌煜2 0 0 2 】。出于对技术成果的保密，成功案例的报道几乎很少涉及核心技 术。因此，研究开发具有自主知识产权的薄带连铸技术是非常重要的，为保证控制思想的顺 利实现，控制系统的设计也是非常重要的。 1 1 3 薄带连铸的控制系统 薄带连铸技术的发展在很大程度上依赖于控制技术的发展，而控制技术的发展在很大程 度上也促进了薄带连铸技术的发展。作为过程自动化，薄带连铸自动化重要的意义在于通过 建立合理的( 或最优的) 控制模型，保证工艺的最佳状态，以保证产品的质量；通过生产过 程使设备处于最佳运行状态，以提高生产率；通过设备单机自动化、基础自动化和过程自动 化的实现，减少人为因素对生产过程的影响；有利于加强生产调度和现代化管理；改善操作 人员的生活环境，降低劳动强度。 从文献【朱铮2 0 0 0 】可知，日本新日铁与三菱重工合作开发的双辊式不锈钢薄带连铸机是 自动控制系统较为完善的一套。它包括5 个子系统，即自动开浇、液面控制、辊缝与压力、 水口浸入深度和带速控制。浇铸以自动初始逻辑开始，熔融钢水要保持一定的液面高度。在 浇铸期间，带钢厚度通过辊缝和压力控制维持不变，保证铸带在非正常张力状态下浇铸。表 1 1 为控制系统的传感器和执行部件明细表。 韩国p o s c 0 公司开发的薄带连铸机配备的检测及控制系统如图1 4 所示【c h o o1 9 9 7 ， k e2 0 0 0 ，m o o n2 0 0 0 ，m2 0 0 1 a 】。这套系统的控制共分5 个主要的控制部分：凝固过程 控制；熔池钢水液位控制；恒辊缝或恒厚度控制；铸轧力与速度耦合控制；侧封板顶紧压力 或位置控制【h o n g1 9 9 8 ，h o n g2 0 0 1 ，m2 0 0 2 a 】。现以p o s c o 的薄带连铸机为例说明控制 系统的有关问题。 4 第一章绪论 表1 1 控制系统检测元件和执行部件 t a b l e1 1n es e n s o r 柚di m p l e m e n t 图1 4p o s c o 薄带连铸机主要控制回路 f i g 1 4m a i nc o n t r o l1 0 0 p si l ls t r i pc a s t e ro f p o s c o 针对整个闭环控制系统，控制策略分为启动状态【k e1 9 9 6 a 】和稳定状态【m2 0 0 1 b 】两 种，并且，由于薄带连铸相对于传统的连铸机具有更高的浇注速度以及更敏感的凝固条件， 因此熔池钢水液位控制在这里变得格外的重要。 在钢水液位检测中，传统的涡流传感器以及x 射线传感器由于检测环境的限制以及数 据的采样频率较低而无法满足要求。因此，需要开发一种鲁棒性较高的图像处理传感器来完 成熔池钢水液位检测。通过调整中间包塞棒的开度，控制水口的流量，来实现对于熔池钢水 液位的控制。 为了提高薄带的厚度精度，需要建立一套响应速度快、精度高的结晶辊辊缝控制系统。 即使保证了恒辊缝的条件下，铸带的厚度仍然会受到结晶辊的热膨胀以及偏心的影响，因此 在辊缝控制系统中应加入对于这两项的补偿功能。 尽管熔池钢水液位、铸轧速度、结晶辊辊缝均被控制在其目标值，但铸轧力却仍可能由 5 童t u 于其他的干扰而产生波动。为了获得一个恒定铸轧力通常采用的方法是调整铸轧速度，这是 因为工艺的要求，其他参数应该保持为一个定值【l ( i m2 0 0 2 b 】。 侧封板的控制目标是减少熔池边部漏钢并且同时减少对于侧封板的磨损，但这两个目标 对于控制系统执行机构的作用是相互矛盾的，因此，需要设计一个优化算法来完成p 0 0 2 0 0 2 】。 除上述主要的控制回路外，通过对于活套的检测与控制，实现整条生产线的速度匹配。 在薄带连铸的实际试验与生产中会遇到大量的困难。如漏钢、侧封板碎裂、水口损坏， 成品铸带也会存在厚度不均匀，表面出现裂纹、冷隔、重皮等缺陷，以及边部缺损等。其中， 裂纹、冷隔和冷块等缺陷的不利影响较大，使目前亟待解决的主要技术问题之一【秦永健 1 9 9 7 】。 从已有的研究可知，熔池区钢水液位波动过大不但会直接影响成品薄带的质量，有可能 造成横裂纹等缺陷，而且有可能导致熔池区的溢钢或漏钢事故。因此熔池区的钢水液位检测 、与自动控制是薄带连铸中的一个重要问题，是生产出高质量薄带的关键问题【耐m2 0 0 1 b 】。 1 2 钢水液位检测方法 在钢铁行业中，薄带连铸技术才刚刚起步，目前还很不成熟，其中的各种技术还都处于 摸索阶段，可参考的技术资料很少，就目前情况看，薄带连铸熔池钢水液位的检测方法与板 坯连铸机结晶器钢水液位控制方法有类似之处，值得参考。 1 2 1 板坯连铸机结晶器钢水液位检测方法 对结晶器钢水液位的检测主要分为接触式与非接触式两种。钢水的温度很高，而且表层 有保护渣，所以使用接触式传感器如热电偶法等容易损坏，而且误差较大。非接触式传感器 中常用的包括放射法、激光法、涡流法、c c d 法等，其主要特性对比如表1 2 所示【王保安 2 0 0 1 】。 最古老和最可靠的方法是放射法，一般采用6 0 c o 和1 3 7 c s ，但是，由于放射性造成的恐 惧心理，以及从环境保护的角度考虑，往往不受现场的欢迎。 由于生产条件、工艺的不同，薄带连铸熔池钢水液位与板坯连铸结晶器钢水液位检测也 存在很多不同之处：第一，为防止钢水氧化，板坯连铸机结晶器内的钢水上有覆盖剂，薄带 连铸机的熔池内则没有；第二，结晶器内除钢水外，无任何的金属导体存在，而薄带连铸机 中，由于工艺、结构的原因在布流器、侧缝板处都可能存在冷钢；第三，薄带连铸机的生产 6 第一章绪论 速度接近板坯连铸机的生产速度1 0 倍，因此传感器的检测频率也要很高，才能真实地反映 熔池中的实际情况。 表1 2 结晶器钢水液位检测装置的主要特性 1 国b l e1 2c h a r a c t e r so fm o u l dl i q u i ds t e c l1 e v e ls e n s o r 在薄带连铸机上，曾经或正被应用的熔池钢水液位传感器只有激光、涡流、c c d 三种， 相比较激光信号容易受钢水以及烟、灰尘等造成光辐射强度衰减的影响，另外受到安装空间 的限制，因此目前已经没有使用的了；电涡流传感器测量时，由于检测环境温度过高，并且 受其他金属导体分布等的影响，造成的误差很难消除。c c d 传感器目前被广泛应用在薄带 连铸机上，这种传感器器具有精度高，线性度高，检测速度快等方面都能满足要求，已经被 认可。从现有的资料看出，这种检测方法几乎在国外各套薄带连铸机上使用【i ( i m2 0 0 2 c ，孙 斌煜2 0 0 2 】。 1 2 2 数字图像处理 随着c c d 芯片技术的发展，数字图像处理技术在各个领域如工业生产、计算机视觉、 图像遥感、医学等方面的应用已有了很大的进展。但在实际应用中，尤其是在工业生产领域， 由于检测环境相对语实验室研究时差别很大，因此，在检测系统防护、图像处理算法等方面 需要格外的注意【葛芦生2 0 0 1 】。 c c d 图像处理技术在工业领域中已获得一定的应用。以c c d 作为传感器检测烧口杯金 属的液位，其过程是摄像机拍摄到的烧口杯金属液面图像精图像采集卡转变为数字信号，由 计算机处理后得到液位信息，并使用了带自调整因子的模糊控制器来控制液位的高度【田涛 1 9 9 9 】；在云南冶炼厂连铸连轧系统中铜杆成型系统的金属铜液连续浇铸液面，在液面检测 中采用c c d 摄像机对于图像的处理采用像素比较法即二值法【陈显宁1 9 9 8 】；在轧钢工业中 应用c c d 检测辊形【y a n g1 9 9 7 】；在薄带连铸中用作活套长度的检测【k e1 9 9 8 】；文献【k u o 2 0 0 2 】详细介绍了以c c d 作为传感器，用模糊逻辑的策略来对造船工业中的焊缝作检测的整 7 t u 个过程，其中详细介绍了在这个系统中的图像提取过程；文献【张建培2 0 0 1 】介绍了某炼钢 厂连铸板坯长度测量的新方法就是采用图形处理技术改进的，重点探讨了边缘检测窗口和算 子对测量系统的影响等。 从上面的应用实例可以得出这样一个结论，c c d 作为传感器的核心器件已经在很多领 域有成功的应用。随着c c d 芯片制造技术和图像处理技术的发展，c c d 传感器的检测精度 和速度都在不断的提高以满足各种情况下的检测需要【x u2 0 0 1 ，b e l l i a2 0 0 2 】。 1 2 3 边缘检测算法 确定图像中的物体边界的方法是先检测每个像素和其直接邻域的状态，以决定该像素是 否处于一个物体的边界上，具有所需特性的像素被标为边缘点。在图像边缘检测的方法中， 通常利用阈值法进行处理，阈值的选取方法通常有：全局阈值，自适应阈值，最佳阈值，此 外还有其它的一些阈值选取方法。 在本课题中，将从c c d 检测的数据中明确提取出结晶辊与熔池钢水的明确边界，以进 一步计算出熔池钢水液位的高度。将c c d 提取的信号处理为所需要的曲线需要用到边缘提 取方法，但要求提取的边缘要足够细而且要足够的准确，因此这个图像处理的步骤包括图像 的预处理、图像分割、边缘检测等【c a s t l e m a l l1 9 9 8 】。在各类图像系统中，尤其是应用在工 业领域，由于噪声严重，图像质量在传送和转换过程中有较大得损失。因此如何滤除噪声是 一项非常重要的工作，其中比较有效的是近几年新近发展起来的小波变换方法【b u 玛i s s 1 9 9 8 】，与常见的滤波器相比，它们都能提高聚焦能力，但是小波算法能更有效地分辨出只 有微小的离焦量的图像【x u1 9 9 4 ，黄剑琪2 0 0 0 】。 边缘检测算法有很多种，下面进行简要的介绍。 1 简单的边缘检测算子 梯度算子是边缘检测算法的基础。梯度算子以及r o b e r t 梯度算子、s o b e l 算子都是一阶 微分算子，具有幅值和方向两个特征值。从图像处理的实际效果看，用r o b e n 梯度算子检 测边缘较好，s o b e l 算子有一定的噪声抑制能力，但检测阶跃边缘得到的边缘宽度至少有二 像素，因此，【o k a m o t o1 9 9 7 】中对s o b l e 算子加以改进，将计算后的数据用f k e m a n 的编码 链对曲线进行编码，以抽取曲线特征点。 l a p l a c i a n 算子是不依赖于边缘方向的二阶微分算子，因此对噪声更敏感，它使噪声成 分加强，在实际应用中必须充分注意。因此，常常先进行平滑操作，再进行二阶微分。 2 m